Đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần doc

Đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần doc Đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần doc Đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần doc Đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần doc Đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần doc

CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

điện 

áy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làmđộng cơ điện Động cơ không đồng bộ ngày càng được sử dụng rộng rãi trongcông nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày… vì có nhiều ưu điểm sovới các loại động cơ khác Trong công nghiệp, động cơ KĐB 3 pha là loạiđộng cơ chiếm 1 tỷ lệ rất lớn Dải công suất của động cơ cũng rất rộng từ vàitrăm W đến hàng ngàn kW Đó là do động cơ KĐB có những ưu điểm: kếtcấu đơn giản, gọn, chế tạo dễ, vận hành dễ dàng, nguồn cấp lấy ngay từ lướiđiện công nghiệp Tuy nhiên, các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dungđộng cơ KĐB lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ 1 chiều Đó là do việc điềuchỉnh tốc độ động cơ KĐB gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp Chỉkhi có linh kiện bán dẫn công suất lớn (transistor, thyristor…) phát triển cùngvới kỹ thuật điện tử tin học thì các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độdùng động cơ KĐB mới được khai thác mạnh hơn

Hiện nay có rất nhiều hệ thống điều tốc động cơ KĐB, chằng hạnnhư: điều tốc giảm điện áp, điều tốc bộ ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi

số đôi cực, điều tốc biến tần… Trong đó hệ thống điều tốc biến tần có hiệusuất cao nhất, chất lượng tốt nhất, được sử dụng rộng rãi nhất và là phươnghướng phát triển chủ yếu của điều tốc xoay chiều Trong giới hạn đồ án nàychỉ đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng biến tần

M

B GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

điện 

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạchdẫn từ Thường vỏ máy được làm bằng gang Đối với máy có công suấttương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy.Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau

*Lõi sắt

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên đểgiảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại Khiđường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khiđường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 2) ghép lại

*Dây quấn

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốtvới lõi sắt Dây quấn stato gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120o điện

b) Phần quay (roto)

Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc

Rotor dây quấn :

Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rôtothường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằngđồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạchđiện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ haysuất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điềuchỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bìnhthường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơrotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễcháy nổ

Rotor lồng sóc :

Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnhcủa lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và

được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc.

II Nguyên lý làm việc:

- Như đã biết trong vât lý, khi dòng điện xoay chiều 3 pha vào ba cuộndây đặt lệch nhau 1200 trong không gian thì từ trường tổng đi qua 3 cuộn dây

là từ trường quay Nếu trong từ trường quay có đặt các thanh dẫn điện thì từtrường quay sẽ quét qua các thanh dẫn này và làm xuất hiện 1 sức điện điệncảm ứng trong các thanh dẫn Trong động cơ KĐB thì phía roto ( phần cảmứng sức điện động ) được nối ngắn mạch làm xuất hiện dòng điện ( ngắnmạch ) trên dây quấn roto, dòng điện có chiều xác định theo quy tắc bàn tayphải Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này 1 lực từ cóchiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra 1 momen làm quay rototheo chiều quay của từ trường quay

- Tốc độ quay của roto luôn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường Nếuroto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ khôngquét qua các thanh dẫn nữa nên sẽ không có dòng điện cảm ứng nên momenquay cũng không còn Khi đó, do momen cản roto sẽ quay chậm hơn từtrường quay và các thanh dẫn lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứnglại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay nhưng vớitốc độ luôn nhỏ hơn của từ trường quay Động cơ hoạt động với nguyên tắcnày nên được gọi là động cơ không đồng bộ

điện 

- Tốc độ quay của từ trường phụ thuộc vào số đôi cực p, số đôi cực càng lớn thì tốc độ từ trường quay càng giảm Với cuộn cảm tạo ra từ trường có pđôi cực thì tốc độ quay giảm p lần là f1 (vòng/s)

pHay n0 =

Tốc độ không đồng bộ của rotor n2 nhỏ hơn tốc độ đồng bộ no và sự sailệch này được đánh giá qua 1 đại lượng gọi là hệ số trượt s:

s =(2)

n0  n n 2 =

0

0  2 = 1 - 2

ở chế độ động cơ, hệ số trượt s có giá trị 0  s  1

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor cũng là dòng xoay chiều với tần

số xác định qua tốc độ tương đối của rotor khi từ trường quay:

f2 =(3)

p.(n0  n2 )

60 = s.f1 (Hz)

III Đặc tính cơ của ĐCKĐB:

1) Phương trình đặc tính cơ:

Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiềuhình sin 3 pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hòa thì có thể xem xétđộng cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha Đó là sơ đồ điện 1 pha phía stator với cácđại lượng điện ở mạch rotor đã được qui đổi về stator:

Hình 2: Sơ đồ thay

thế 1 pha ĐCKĐB

Khi cuộn dây stator được cấp với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha màrotor không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện 1 sức điện độngcảm ứng E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp Hệ số qui đổi sức điện độnglà:

điện 

-Điện kháng : X’2 = KX.X2

-Điện trở : R’2 = KR.R2

Các đại lượng khác trên sơ đồ thay thế hình 2:

I0 – dòng từ hóa của động cơ

Rm, Xm – điện trở và điện kháng mạch từ hóa

I1 – dòng điện cuộn dây stator

R1,X1 – điện trở và điện kháng cuộn dây stator

Dòng điện rotor qui đổi về stator được tính từ sơ đồ thay thế:

1 ph

(4)Khi động cơ hoạt động , công suất điện từ P12 chuyển từ stator sang rotorthành công suất cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt ∆P2 đốt nóngcuộn dây:

P12 = Pcơ + ∆P2Nếu bở qua tổn thất phụ thì có thể xem momen điện từ Mđt của động cơbằng momen cơ Mcơ:

.U



∆P2 = 3.R’2.I’2Thay vào phương trình tính moment ta được:

Trong đó Xnm = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch

Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s(ω)] gọi là phươngtrình đặc tính cơ của ĐCKĐB 3 pha

Với những giá trị khác nhau của s (0  s  1) phương trình đặc tính cơ cho

ta những giá trị khác nhau của M Đường biểu diễn M = f(s) gọi là đường đặc tínhcơ:

điện Giải phương trình ta có: sth = 

2) Ảnh hưởng của việc thay đổi tần số nguồn cung cấp đến đặc tính

Phương trình đặc tính cơ cho ta thấy đặc tính cơ của ĐCKĐB chịu ảnhhưởng của nhiều thông số điện: điện áp lưới U1ph, điện trở mạch rotor R’2, điện trở

và điện kháng stator R1, X1, số đôi cực p và tần số lưới Ở đây chỉ đề cập đến ảnhhưởng của tần số lưới đến đặc tính cơ động cơ KĐB 3 pha Khi f thay đổi thì cácthông số sau thay đổi: tốc độ đồng bộ, độ trượt giới hạn, momen tới hạn

Khi thay đổi f1 thì tốc đô đồng bộ ω0 sẽ thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng bị

thay đổi (X = 2  f L) kéo theo sự thay đổi cả độ trượt tới hạn sth và momen tớihạn Mth

Ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1, nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator R1 =

Biểu thức trên cho ta thấy rằng khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên

U1ph thì momen tới hạn giảm rất nhiều Do đó khi thay đổi tần số nguồn thì đồngthời phải thay đổi U1ph theo các qui luật nhất định đảm bảo sự làm việc tương ứngcủa động cơ với nhiều loại tải khác nhau ( hình 4) Nghĩa là tỷ số giữa momen cựcđại và momen phụ tải đối với các dạng đặc tính cơ là hằng số:

λ = M th

M c = const(10)

Khi xem Mco ≈ 0 thì biểu thức trên sẽ là:

f

nm

điện Thay vào ta có:  U  1ph  2 

Với: Mc là momen cản của tải đối với trục quay ở tốc độ n

Mco là momen cản của tải đối với trục quay khi n = 0

Mcđm là momen cản cảu tải đối với trục quay khi n = nđm

x là số mũ đặc trưng mô tả đang đặc tính cơ của tải khác nhau

Hình 4: Đặc tính cơ của

các dạng phụ tải

Như vậy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thayđổi tần số ta phải có bộ nguồn xoay chiều có khả năng điều chỉnh tần số điện ápđồng thời theo các qui luật sau:

const , ứng với dạng đặc tính Mc = a + bn2 ( x = 2) như quạt, máy

 const , ứng với dạng đặc tính Mc = a + bn-1 ( x = -1) như máy cuốndây, cắt kim loại…

Hình 5,6,7,8: Các dạng đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số theo qui luật

điện ngoài thay đổi tần số, chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lướicấp vào BBT Các BBT được chia làm 2 loại chính:

-BBT trực tiếp: loại này biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f1 thành f2không qua khâu chỉnh lưu nên hiệu suất cao hơn loại gián Biến tần trực tiếpthường được dùng cho truyền động công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ đểcung cấp cho các động cơ roto lồng sóc, các động cơ roto dây quấn cung cấp bởi 2nguồn, các động cơ đồng bộ…Tuy nhiên biến tần trực tiếp có các nhược điểmnhư: hệ số công suất thấp, tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cungcấp…

- BBT gián tiếp: với BBT loại này, dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1được chỉnh lưu thành dòng điện 1 chiều ( f = 0 ), lọc rồi lại được biến đổi thànhdòng điện xoay chiều tần số f2 Đây là loại biến tần được dùng phổ biến hơn vì tần

số ra f2 hoàn toàn không phụ thuộc vào tần số vào mà chỉ phụ thuộc vào mạch điềukhiển BBT gián tiếp cần có khâu chỉnh lưu trung gian Tùy thuộc tính chất củakhâu chỉnh lưu và dạng tín hiệu đầu ra mà BBT gián tiếp lại chia ra BBT nguồn áphay BBT nguồn dòng

+ BBT nguồn dòng thường dùng cho truyền động đảo chiều công suất lớn, cónguồn cấp một chiều là nguồn dòng, điện trở trong của nguồn rất lớn Dạng dòngđiện của nguồn dòng xác định dạng dòng điện ra trên tải, còn dạng áp trên tải thìphụ thuộc các thông số tải Mạch điện một chiều thường mắc nối tiếp với mộtcuộn kháng có độ tự cảm lớn

+ BBT nguồn áp thường dùng cho truyền động nhiều động cơ, có nguồn cấpmột chiều là nguồn áp, điện trở trong rất nhỏ Dạng điện áp nguồn xác định dạngđiện áp ra trên tải, còn dạng dòng điện trên tải thì phụ thuộc vào các thông số tải.Mạch điện một chiều thường được mắc song song với một tụ điện có điện dunglớn

IV BBT gián tiếp ba pha nguồn áp:

_Sơ đồ nguyên lý:

gián

Nguồn điện xoay chiều 3 pha tần số f1 qua mạch chỉnh lưu cầu trở thành điện

áp 1 chiều và được san phẳng bởi cuộn kháng K, lọc bởi tụ C sẽ cấp cho mạchnghịch lưu điện áp biến đổi thành điện áp xoay chiều ba pha tần số f2 ra ĐCKĐB.Trong mạch nghịch lưu ngoài các thyristor còn sử dụng các diode cách ly D1D6nhằm cách ly giữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn các pha của ĐCKĐB đểchúng không tạo thành mạch cộng hưởng làm ảnh hưởng đến quá trình chuyểnmạch Tần số điện áp ra f2 và độ lớn điện áp ra được quyết định bởi mạch nghịchlưu điện áp 3 pha cầu Các quá trình điện từ trong mạch nghịch lưu điện áp phụthuộc vào nhiều yếu tố như: đặc tính tải, cách đấu tải, nguồn cấp và nguyên tắc

Hình 9: BBT

tiếp 3 pha nguồn áp

điện điều khiển Phương pháp điều khiển thường dùng nhất là điều khiển góc dẫn của thyristor: λ = 180o và λ = 120o.

1)Trường hợp λ = 180o

Theo biểu đồ điều khiển trên hình 10 các thyristor ( các van) sẽ được mở lầnlượt từ T1 đến T6 với góc lệch giữa 2 van là 60o Như vậy trong bất cứ thời điểm nàocũng có 3 van dẫn Để xác định dạng điện áp ra ta cần phải biết kiểu đấu dây quấnstator ĐCKĐB

_ Kiểu đấu sao: bằng cách xác định điện áp trên tải trong từng khoảng 60o (vì

cứ 60o lại có sự chuyển mạch) Từ đó ta có sơ đồ thay thế hình 10b Nhìn chung sơ

đồ này có dạng 1 pha mắc nối tiếp với 2 pha đấu song song nhau Do đó:

UA = UZA = (1/3)U = UC = UZC ; UB = UZB = (-2/3)U

(a) (b) Hình 10: Dạng sóng điện áp ra trong trường hợp tải đấu sao, góc dẫn λ = 180oTheo dạng điện áp pha ta có trị hiệu dụng của nó:

Upha =

3(13)

_ Kiểu đấu tam giác: vẫn bằng cách tìm sơ đồ thay thế cho từng khoảng 60o như ở kiểu đấu sao, ta thấy rằng các pha hoặc được đấu thẳng vào nguồn hoặc bị

điện nối ngắn mạch như hình 11 Do đó điện áp pha có dạng khác đi, dựa vào đồ thị UA

ta xác định được điện áp hiệu dụng:

Upha =

=(14)

= 2U

3

Hình 11: Sơ đồ thay

thế chuyển mạchnghịch lưu áp ba phakiểu đấu tam giác

2) Trường hợp λ = 120o : theo biểu đồ dẫn của thyristor hình 12, mỗi thời điểmchỉ có 2 van dẫn Để xem xét ta vẫn thực hiện như khi xét trường hợp 180o khi

Hình 12: Biểu đồ điều khiển

ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc có 2p = 4, điện áp pha định mức Uđm = 240V, tần số định mức 50Hz, được điều khiển bằng biến tần gián tiếp nguồn áp theo quy luật U/f

= const Hãy xác định điện áp và tần số ở ngõ ra của biến tần khi động cơ làm việcvới tốc độ no = 900 vòng/phút ; 1200 vòng/phút; 1800 vòng/phút

điện _ Chưa thật sự thực tế về vấn đề điều tốc xoay chiều vì biến tần gián tiếp nguồn ápchỉnh lưu có điều khiển hiệu suất thấp và nghịch lưu điện áp xoay chiều dùngthyristor chưa đáp ứng được với yêu cầu hoạt động tần số cao.

_ Ví dụ ứng dụng chưa phong phú

*Nhận xét về đề tài:

_ Điều tốc biến tần là vấn đề phức tạp nhưng là vấn đề thiết yếu phải tìm hiều khi

mà khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử phát triền cùng với sự ra đời vàngày càng hoàn thiện của các bộ biến đổi điện tử công suất đã thúc đẩy lĩnh vựctruyền động điều tốc biến tần ngày càng chính xác, đáp ứng nhiều đặc tính làmviệc khác nhau, dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất Tìm hiểu đềtài này thật sự hữu ích cho công việc thực tiễn sau này

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ

CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP



ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

SVTH : Tạ Văn Tiến

TP Hồ Chí Minh – Tháng 6/2013

điện 

áy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làmđộng cơ điện Động cơ không đồng bộ ngày càng được sử dụng rộng rãi trongcông nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày… vì có nhiều ưu điểm sovới các loại động cơ khác Trong công nghiệp, động cơ KĐB 3 pha là loạiđộng cơ chiếm 1 tỷ lệ rất lớn Dải công suất của động cơ cũng rất rộng từ vàitrăm W đến hàng ngàn kW Đó là do động cơ KĐB có những ưu điểm: kếtcấu đơn giản, gọn, chế tạo dễ, vận hành dễ dàng, nguồn cấp lấy ngay từ lướiđiện công nghiệp Tuy nhiên, các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dungđộng cơ KĐB lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ 1 chiều Đó là do việc điềuchỉnh tốc độ động cơ KĐB gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp Chỉkhi có linh kiện bán dẫn công suất lớn (transistor, thyristor…) phát triển cùngvới kỹ thuật điện tử tin học thì các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độdùng động cơ KĐB mới được khai thác mạnh hơn

Hiện nay có rất nhiều hệ thống điều tốc động cơ KĐB, chằng hạnnhư: điều tốc giảm điện áp, điều tốc bộ ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi

số đôi cực, điều tốc biến tần… Trong đó hệ thống điều tốc biến tần có hiệusuất cao nhất, chất lượng tốt nhất, được sử dụng rộng rãi nhất và là phươnghướng phát triển chủ yếu của điều tốc xoay chiều Trong giới hạn đồ án nàychỉ đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng biến tần

M